C-band クライストロン用

コンパクト密閉型変調器電源の大電力試験

稲垣 隆宏1,A)、馬場 斉A)、新竹 積A)、渡川 和晃A)、尾上 和之A)、中田 太志A) 、松本 浩B)、高嶋 武雄C)、工藤 統吾C)、佐伯 学行A, D)、徳地 明E)、内藤 伸吾E)A)

理化学研究所 播磨研究所 (SPring-8/RIKEN)
B)

C)

高エネルギー加速器研究機構 (KEK)

高輝度光科学研究センター (SPring-8/JASRI)
D)〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1〒305-0801 茨城県つくば市大穂1-1〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1

東京大学素粒子物理国際研究センター (ICEPP)
E)

ニチコン株式会社 草津工場

〒113-0033 東京都文京区本郷7-3-1〒525-0053 滋賀県草津市矢倉2-3-1

RFをパワー、位相の両面で安定にするには、C-band
クライストロンに印加する電圧（Vk= -350 kV）が0.5% 以下で安定している必要がある。そのため特SPring-8において、軟X線FEL計画（SCSS:SPring-8に安定したノイズの少ない変調器電源が必要である。
Compact SASE Source）が進行している [1]。SCSSでまた、Linear collider をはじめとする次世代の大使用されるC-band 50 MW 級クライストロンをドラ型加速器や、産業用、医療用の加速器では特に、安イブするために、密閉型の変調器電源を開発してい価かつコンパクトで信頼性の高い変調器電源が強くる。この変調器電源は、全ての回路構成部品を絶縁望まれている。
オイルの中に入れた密閉構造をしており、従来の変調器電源と比較してコンパクトで、なおかつ信頼性、 そこで、高圧部を絶縁オイル漬けにした密閉型変調器電源を開発することとした。オイル密閉型にす安定性の高くノイズの少ないものと期待される。
ることにより、以下のメリットがある
2003年3月に第１号機が完成した。クライストロ①絶縁距離が短くなり、よりコンパクトになる。
ンに繋いで大電力運転試験を行ない、定格の高電圧②外気の影響（湿度やほこりなど）を受けにくい。
パルス（-350 kV）が印加されることを確認した。
③冷却効率が良い。発熱をまずオイルに逃がし、今後、出力波形の調整、長期安定性の確認等の試験オイルを冷却水で冷やすことができる。
を行なってゆく予定である。
⑤ステンレスタンクの中に入れ密閉構造にすることにより、電気的なノイズが遮断される。
１．開発のねらい⑥内容物を取り付けたフレーム全体を吊り上げら
SCSSで目標とするFEL発振は、アンジュレータをれる構造とする。保守の際にアクセスし易い。
通る電子ビームのエネルギー変動に対したいへん敏SCSSでは、この密閉型変調器電源をC-band クラ感である。そのためSCSSでは特に、加速器がパルイストロンだけでなく、パルスHV電子銃[2]や入射器ス運転をするサイクル毎に、加速エネルギーが安定部のL-bandクライストロン用のパルス電源としてもであることが重要である。C-band 加速器において、 使用できるように考えている。従って、SCSS全体
で10台の同じ変調器電源を使用する予定である。
これまでの開発経過については、文献 [3]を参照していただきたい。

概要

２．変調器電源の構成
2.1 構造図１：密閉型変調器電源 及び クライストロン
1E-mail: inagaki@spring8.or.jp

図１に、変調器電源の外観写真を示す。左正面にPFNやサイラトロンの納まる変調器電源部タンク、右奥にクライストロンとパルストランスとを収納したタンクがある。写真には写っていないが、手前左隣に外付けのインバータDC電源が置かれる。それぞれのフレームGND間は幅広いアース板で繋がれ、戻り電流によって電位差を生じないようにしている。
変調器電源部のオイルタンクとして、貯水用のステンレスタンクを利用している。外形は1.5 m×1 m

図２：変調器電源の基本回路構成×1 mで、総重量は絶縁オイルを抜いた状態で約700 kgである。コンパクトなタンクに納まっているため、容易に移動可能である。

2.2 構成要素

表１：変調器電源 及び クライストロンの仕様
変調器電源 （ニチコン㈱）60 pps
最大運転繰り返し
50 kV
最大PFN充電電圧（VPFN）
30 kJ/sec
平均充電速度475 J
PFNへの蓄積エネルギー
114 MW
ピーク出力パワー± < 0.5 %
出力電圧の繰り返し安定性< 5 nsec
タイミング ジッタ
パルストランス
1:16
昇圧比
3.8 µsec
パルス持続時間（70%電圧にて）クライストロン (東芝 E3746A)
5712 MHz
運転周波数50 MW
ピーク出力RFパワー
2.5 µsec
RFパルス時間幅
350 kV
電子銃電圧（Vk）
317 A
ビーム電流（Ik）

図２に、変調器電源の基本回路構成を示す。この回路構成は、KEKにて C-band クライストロン用に開発されたSmart Modulator[4]とほぼ同様である。表リガの前にプレトリガを与えて管内をイオン化させ１に今回開発した変調器電源、及び C-band クライることにより、スムーズに放電を起こさせ、結果とストロンの仕様をまとめる。
して長寿命を実現している。また、発熱対策としてPFNへの充電は、最大出力が 50 kV、平均充電電サイラトロンを囲むようにチムニーを作り、攪拌ス流が 1.5 A のインバータDC電源を用いる。東芝電波特機㈱にて今回新たに開発したインバータ電源[5]、 クリューを回している。
高電圧パルス発生時、負荷側のインピーダンス不お よびSPring-8加速器グループより借用したインバータ電源（EMI-303L）を用いて運転を行なった。 整合や短絡により反射波が生じ、インバータ電源を壊すことのないように、３ヶ所に逆電圧を短絡する
PFNは 、 General Atomics社 の 高 電 圧 用 キ ャ パ シ
ダイオードを入れている。EOL clipper 回路、Tailター（容量22.3nF）と、L可変機構を有するコイル
clipper 回路、Shunt 回路である。各回路にはそれぞを18段組み合わせた無結合型コイル方式である。コれ電流モニタが取り付けられており、設定以上の短イルのL調整は、タンク上蓋にある作業窓から絶縁絡電流が流れるとインターロックが働いて運転を停ロッドを差し込んで行なう構造で、変調器電源を運止するようになっている。
転しながら調整ができるようになっている。PFNのPFNにより生成された高電圧パルスは、9本並列電圧（VPFN）をモニタするために、高電圧プローブに繋がれた高電圧用同軸ケーブルを通って、パルス（岩通HV-P60、減衰比2000:1）を設置している。
トランスへ導かれる。パルストランス（昇圧比PFNのスイッチ素子として、ダブルギャップ型の1:16）によりVk= -350 kVまで昇圧され、クライストサイラトロン（E2V-CX1836）を用いた。メイント

図３：変調器電源内部

ロンのカソードに印加される。トランス2次側の電圧 （ Vk ） を モ ニ タ す る た め に 、 Stangenes 社 製 のCVD（容量性分圧器）が設置されている。CVDの分圧比は、パルサーより送った 130 V の方形波を比較測定することにより校正し、7400:1 という減衰比を得た。また、トランス2次側を流れる電流（Ik）をモニタするために、Pearson社製のカレントモニタ（電圧出力比 1V/10A）が設置されている。
変調器電源の運転開始／停止は、制御ラックに収納されたコントロールボックスのタッチパネルにて操作を行なう。コントロールボックスにはインターロック機構がついており、各機器の故障や、短絡電流の増加などの異常を検知して、直ちにインバータ電源およびサイラトロンの運転を停止するようになっている。

３．運転試験
密閉型変調器電源の第1号機はニチコン㈱にて2003年3月に完成された。負荷としてクライストロンを繋ぎダイオードモード（クライストロンにRFを入れない）にて運転試験を行なった。Vkを高くとるために、PFNのコイルはLを最も小さくした状態（PFNのインピーダンスを下げた状態）にした。
まず、繰り返し 10 pps にて運転を開始した。充電電圧（VPFN）を徐々に上げてゆき、 VPFN= 45 kVにて Vk= -350 kV を得た。次に、繰り返しを 20pps、30 pps、40 pps、50 pps、60 pps に設定し、それぞれの繰り返しで同様に VPFN= 45 kV（Vk= 350kV） まで電圧を上げた。図４、図５には、1 pps
にて VPFN= 45 kV の時のVPFN 波形、及び、Vk 波形・Ik 波形を示す。Vk 波形・Ik 波形は、繰り返しを変えても全く変化しなかった。Iｋ波形にはノイズのような振動が乗っているように見える。この振動の原因を調査中である。
60 pps、45 kV にて連続で30分ほど運転を行なったところ、今回開発したインバータ電源が非常停止し、内部のIGBTが破損した。調査の結果、600 V

図５：高電圧パルス出力波形。Ch1（青色）はCVDによる Vk モニタ波形。Ch2（水色）はカレントモニタによる Ik モニタ波形。 VPFN=約 45 kV にて。
整流回路の低電圧側とGND間の静電容量に徐々に蓄電して基板の耐圧を超えたことが判明した。高電圧、大電力装置の開発段階では、この手のトラブルは避けられず、克服することが最も大切なテーマである。
その後、EMI社のインバータ電源にて繰り返しを下げて運転試験を行なった。これまでの運転中では、変調器電源本体には大きなトラブルは起きていない。

４．まとめ
2003年3月に、密閉型変調器電源の第１号機が完成した。クライストロンに繋いで大電力運転試験を行ない、定格の高電圧パルス（Vk= -350 kV）が印加されることを確認した。
今後、出力波形の調整、長期安定性の確認等の試験を行なってゆく予定である。

参考文献。
[1] URL: http://www-xfel.spring8.or.jp
文献[2]～[4]も含めてSCSS、C-band加速器に関連した文献はここで入手できます。
[2] 渡川和晃 「SPring-8軟Ｘ線自由電子レーザー計画に用いるCeB6電子銃の開発」本研究会（FB-3）[3] H. Matsumoto, et. al., “A Closed Compact Modulator For 50
MW C-band (5712 MHz) Klystrons”, Proc. of PowerModulator Conf. & High Voltage W.S. (2002);
馬場斉 「C-band 50-MW クライストロン用コンパク
ト密閉型変調器電源の開発」第26回リニアック技術研究会 p341-p343, KEK Preprint 2001-56.
[4] H. Baba, et. al., “Pulsed Modulator For C-band Klystron”,
Proc. of the APAC98, KEK Preprint 98-33.
[5] 飯田謙二 「コンデンサ充電用インバータ電源」第26回リニアック技術研究会 p252-p254 (2002)

図４：PFNへの充電電圧。変調器電源タンク内に設置した高電圧プローブからの出力波形。1 ppsにて。